a. Nguyên lý kích hoạt hệ thống
Ở 0,01s đầu tiên sau va chạm, túi khí sẽ bắt đầu được bơm phồng, sau 0,04s túi khí được bơm hoàn toàn. Nó bắt đầu xả khí qua các lỗ thông sau 0,1s.
27 Phát hiện va chạm được thực hiện bằng các cảm biến gia tốc thường được đặt ở phía trước và phía bên của xe. Ngoài ra, một bộ cảm biến gia tốc khác ở module túi khí trung tâm ACU (Airbag Control Unit). Các cảm biến gia tốc truyền tín hiệu của nó tới ACU, việc xử lý thông tin được thực hiện bởi các thuật toán dựa vào các tín hiệu va chạm của cảm biến gửi về liên quan đến mức độ và hướng của va chạm. Các cảm biến áp suất cũng được sử dụng bên trong cửa để làm tăng thông tin về một vụ va chạm bên, thông qua việc cửa bị ép vào làm tăng áp suất bên trong cửa, giá trị này cũng được cảm biến áp suất gửi về ACU để tính toán và đưa ra quyết định. Trong một vụ va chạm, các cảm biến gia tốc xung quanh xe và cảm biến gia tốc bên trong ACU sẽ tạo ra một tín hiệu tăng tốc, những tín hiệu được xử lý dựa trên các tiêu chí được lập trình trong ACU. Đầu tiên, nếu tín hiệu gia tốc vượt quá một ngưỡng nhất định (khoảng 20m/s ), các thuật toán của quá trình xử lý các tín hiệu bắt đầu. Tín hiệu sẽ được gửi đến các túi khí để kích hoạt tại các vị trí tương ứng với va chạm.
b. Nguyên lý tạo khí
Hệ thống túi khí phải có khả năng triển khai nhnah chóng đủ nhanh để giảm thiểu tối đa thiệt hại khi có va chạm xảy ra. Khi tín hiệu triển khai túi khí được truyền tới bằng module túi khí trung tâm, chất tạo khí Natri Azua (NaN ) được đốt cháy, phản ứng tạo khí Nitơ (N ) và nhanh chóng thổi phồng túi khí với tốc độ 70-110 (m/s). Quá trình này, từ khi va chạm bắt đầu đến khi túi khí được bung hoàn toàn chỉ mất khoảng 40 ms. Các chất được sử dụng để tạo khí N bao gồm hỗn hợp NaN , KNO và SiO . Khi chiếc xe bị va chạm, gần như đồng thời ba phản ứng hóa học bên trong bộ tạo khí sẽ tạo khí Nitơ (N ) bằng việc phân hủy NaN đồng thời biến nó từ chất độc hại thành chất vô hại. Natri Azua (NaN ) có thể phân hủy ở nhiệt độ cao để tạo ra kim loại Natri (Na) và khí Nitơ (N ).
2 Na𝑁 -> 2Na + 3𝑁 (2.4) Mục đích của KNO và SiO là loại bỏ kim loại Natri dễ phản ứng và có khả năng gây nổ cao bằng cách biến đổi nó thành chất vô hại. Đầu tiên, Natri phản ứng với Kali Nitrat (KNO ) để tạo ra Kali Oxit (K O), Natri Oxit (Na O), và khí N bổ sung.
28 N tạo ra trong phản ứng thứ hai này cũng được đưa vào túi khí. Oxit kim loại phản ứng với Silic oxit (SiO ) trong một phản ứng cuối cùng để tạo ra hạt kiềm silicat vô hại và không còn khả năng tạo ra phản ứng. Các oxit kim loại như Na O và K O rất dể phản ứng và gây ra cháy nổ, vì vậy sẽ không an toàn khi chúng là sản phẩm cuối cùng.
𝐾 𝑂 + 𝑁𝑎 𝑂 + Si𝑂 -> 𝑁𝑎 𝐾 Si𝑂 (silicat kiềm) (2.6) 2.3.3. Các tình huống kích hoạt túi khí
a. Va chạm phía trước.
Hình 2.30 Góc phát hiện va chạm mặt trước
Túi khí được thiết kế hoạt động chỉ khi thực sự cần thiết trong trường hợp va chạm rất mạnh từ phía trước. Cảm biến va chạm phía trước có phạm vi hoạt động là 60 trên các dòng xe Toyota, Kia, Mazda… Ngoài ra phạm vi hoạt động này là 90 trên dòng xe cao cấp như BMW, Audi, Mercedes… Túi khí được thiết kế hoạt động với một lực tương đương với khi xe va chạm phía trước vào tức tường cố định không di chuyển và không biến dạng ở tốc độ 30 Km/h hoặc vào một cột bê tông tương tự ở tốc độ 35 Km/h. Tuy nhiên, ngưỡng tốc độ này sẽ phải lớn hơn nhiều (khoảng 50- 60 Km/h) trong các trường hợp sau: Nếu xe đâm vào một vật có thể xê dịch hoặc bị biến dạng, như một chiếc xe đang đỗ hoặc cột biển báo… hoặc xe chui vào một gầm một xe khác (Hình 2.31 và Hình 2.32).
29
Hình 2.31 Xe va chạm vào cột Hình 2.32 Xe va chạm vào gầm xe
Trong một số va chạm phía trước trên các dòng xe Mỹ và châu âu như BMW, Audi, Calilac… Tốc độ của xe khi va chạm phía trước sẽ kích hoạt túi khí là 32 km/h cho trường hợp không thắt dây an toàn là 56 km/h khi có thắt dây đai an toàn. Tốc độ này là 40 km/h trong trường hợp va chạm chính diện với 40% mặt trước của xe bị tác động.
Hình 2.33 Xe va chạm theo một góc
Các túi khí phía trước có thể có hoặc không kích hoạt trong một vụ va chạm phía trước theo một góc nhất định. Nếu hai xe va chạm vào một góc, thì các lực tác động lên phía trước và phía bên cũng thay đổi theo các góc khác nhau mà nó va chạm. Toàn bộ tác động tương ứng như một mũi tên vector, sau đó tách ra thành hai vector nhỏ hơn, một ở phía trước và một ở phía bên. Các kích cỡ của từng vector là một yếu tố quyết định trong việc kích hoạt túi khí tương ứng. Khi góc xiên lớn thì khả năng túi khí phía bên được kích hoạt.
30 b. Xe bị va chạm bên.
Hình 2.34 Xe bị va chạm từ bên hông
Các túi khí bên và túi khí bên phía trên sẽ được kích hoạt trong trường hợp xe bị va đập mạnh vượt quá ngưỡng thiết kế, cường độ lực tương ứng với lực va đập được tạo ra bởi một xe khác nặng 1500 kg đang chạy với tốc độ khoảng từ 20 đến 30 km/h theo hướng vuông góc với xe.
Trên các dòng xe ở châu âu và Mỹ, tốc độ va chạm bên hông sẽ kích hoạt các túi khí bên và túi khí bên phía trên khoảng 29 km/h ở góc va chạm bên là 90 , khoảng 32km/h ở góc va chạm bên là 75 và khoảng 54 km/h khi góc va chạm bên là 27 với khối lượng của vật va chạm khoảng 1500 kg.
Hình 2.35 Xe bị va chạm từ bên phải phía trước xe
Túi khí bên và túi khí bên phía trên sẽ không được kích hoạt khi va chạm bên vào một góc độ nhất định hoặc va chạm không vào khoang hành khách.
31 c. Các tình huống va chạm khác
Nếu xe va chạm với một vật trên đường chẳng hạn như đá, mảnh vụn hoặc ổ gà, túi khí phía trước có thể sẽ không được kích hoạt.
Hình 2.36 Va chạm vào gầm xe
Xe tông thẳng vào gờ, vị trí đập tiếp xúc hết phần đầu xe, nơi bố trí dầm chính chịu lực. Ngoài ra xe lao đầu trực diện xuống vực hoặc hố sẽ kích hoạt túi khí phía trước.
Hình 2.37 Xe va chạm vào gờ cao
Các túi khí phía trước sẽ không được kích hoạt nếu xe bị va chạm từ phía sau. Nhưng hành khách vẫn được bảo vệ bởi dây đai an toàn khỏi chấn thương nghiêm trọng.
32 Trên xe được trang bị túi khí rèm và túi khí bên, nó sẽ được kích hoạt ở cả hai mặt khi có một vụ lật xe xảy ra. Mặt khác, dây đai an toàn cũng được siết chặt để đảm bảo an toàn cho người lái xe.
Hình 2.39 Xe bị lật
2.4. Cơ sở lý thuyết về phần cơ khí
Mục đích của đồ án là chế tạo một mô hình túi khí có thể sử dụng lại nhiều lần và mô phỏng một cách giống nhất so với một hệ thống túi khí được trang bị trên các xe ô tô hiện tại. Để mô hình túi khí được trực quan và sinh động nhóm đã tìm hiểu và thực hiện chế tạo mô hình túi khí là một khung sắt chuyển động tịnh tiến trên đường thẳng gần giống với một chiếc xe đang chuyển động trên đường bị va chạm trực diện vào vật thể phía trước. Muốn mô hình chuyển động một cách trơn tru không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như điều kiện mặt đường, thời tiết, vị trí triển khai, … nếu sử dụng bánh xe bơm hơi và di chuyển trực tiếp trên mặt đường rất khó để triển khai vì vậy nhóm quyết định sử dụng bánh xe bằng thép có rãnh V và xe trượt trên đường ray, 2 phần này tách biệt với nhau để có thể dễ dàng trong khâu vận chuyển và triển khai.
2.5. Cơ sở lý thuyết về thiết kế mạch điện, điều khiển
Để có thể chế tạo một mô hình túi khí có thể sử dụng lại nhiều lần thì việc thay thế hệ thống thổi khí sử dụng các chất hóa học nguyên bản trên các hệ thống túi khí được trang bị trên các xe ô tô hiện nay bằng hệ thống thổi khí sử dụng khí nén được nén trong các bình hơi là cần thiết. Muốn điều khiển dòng khí theo ý muốn cũng như điều khiển được thời điểm cung cấp khí đến các túi khí không thể thiếu sự góp mặt của các vi điều khiển, các van khí điều khiển bằng điện và các cảm biến.
33 Sơ đồ mạch điện mạch điều khiển hệ thống túi khí trên xe KIA SORENTO 2013
35
36
Bảng 2.1.Các chi tiết của mạch điện xe KIA SORENTO 2013
Tín hiệu đầu vào
STT Kí hiệu Thiết bị Chân truyền tín hiệu
1 E33 Cảm biến va chạm phía trước vị trí người lái (Driver Front Impact Sensor)
(High) 23 –22 (Low)
2 E34 Cảm biến va chạm phía trước vị trí hành khách phía trước
(Passenger Front Impact Sensor)
(High) 25 –24 (Low)
3 D12 Cảm biến áp suất bên ở vị trí người lái (Driver Pressure Side Impact Sensor)
(High) 36 –35 (Low)
4 D32 Cảm biến áp suất bên ở vị trí hành khách phía trước
(Driver Pressure Side Impact Sensor)
(High) 38 –37 (Low)
5 F45 Cảm biến va chạm bên trái phía sau (Rear Side Impact Sensor LH)
(High) 32 –31 (Low)
6 F46 Cảm biến va chạm bên phải phía sau (Rear Side Impact Sensor RH)
(High) 34 –33 (Low)
7 F51 Driver Seat Belt Pretensioner Anchor (High) 26 –25 (Low) 8 F47 Công tắc cài khóa đai an toàn và cảm biến vị trí
ghế ngồi bên phía hành khách (Driver Seat Belt Buckle Switch)
39 (Driver)
9 F48 Công tắc cài khóa đai an toàn và cảm biến vị trí ghế ngồi bên phía tài xế
(Passenger Seat Belt Buckle Switch)
40 (Passenger)
10 F63 Hệ thống phát hiện hành khách
PODS (Passenger Occupant Detecting System)
37 Nguyên lý hoạt động
Túi khí phía người lái được kích hoạt
Các tín hiệu va chạm được xác đinh bởi các cảm biến gia tốc đặt trước E33 (Bên trái) và E34 (Bên phải) gửi tín hiệu tới module qua các chân (High) 23 –22 (Low) và (High) 25 –24 (Low). Dòng điện đi từ chân 20 (High) của module túi khí trung tâm qua cáp xoắn trên
Tín hiệu đầu ra
STT Kí hiệu Thiết bị Chân truyền tín hiệu
1 M22 Bộ kích túi khí người lái 1st (Driver Airbag 1st Stage) Bộ kích túi khí người lái 2nd (Driver Airbag 2nd Stage)
(High) 20 –19 (Low)
(High) 16 –15 (Low)
2 M24
M69
Bộ kích túi khí hành khách phía trước 1st (Passenger Airbag 1st)
Bộ kích túi khí hành khách phía trước 2nd (Passenger Airbag 2nd)
(High) 13 –14 (Low)
(High) 17 –18 (Low)
3 F43 Túi khí bên ở vị trí người lái (Driver Side Airbag)
(High) 16 –15 (Low)
4 F44 Túi khí bên ở vị trí hành khách (Passenger Side Airbag)
(High) 17 –18 (Low)
5 F41 Túi khí rèm vị trí người lái (Driver Curtain Airbag)
(High) 22 –21 (Low)
6 F42 Túi khí rèm vị trí hành khách (Passenger Curtain Airbag)
(High) 24 –23 (Low)
7 F49 Bộ căng đai khẩn cấp vị trí người lái (Driver Seat Belt Pretensioner)
(High) 12 –11 (Low)
8 F50 Bộ căng đai khẩn cấp vị trí hành khách (Passenger Seat Belt Pretensioner)
38 tay lái và qua ngòi nổ và chân 19 (Low) của module túi khí trung tâm. Lúc này, ngòi nổ của túi khí có dòng điện chạy qua đã kích hoạt bộ thổi khí để làm phồng túi khí người lái (M22) giai đoạn 1. Dòng điện đi từ chân (High) 16 của module túi khí trung tâm qua cáp xoắn trên tay lái và qua ngòi nổ và chân 15 (Low) của module túi khí trung tâm. Lúc này, ngòi nổ của túi khí có dòng điện chạy qua đã kích hoạt bộ thổi khí để làm phồng túi khí người lái (M22) giai đoạn 2. Ngoài ra, cụm cảm biến vị trí ghế ngồi và cài khóa dây đai an toàn của người lái (F47) cung cấp thêm thông tin về vị trí ghế ngồi và tình trạng thắt dây đai an toàn.
Bộ căng đai ghế người lái được kích hoạt
Cùng lúc đó bộ cảm biến trung tâm sẽ gửi tín hiệu điện đến chân 12 (High) qua độ căng đai trước dây đai rồi về chân 11 (Low), bộ căng đai vị trí người lái F49 được kích hoạt.
Túi khí hành khách được kích hoạt
Dòng điện đi từ chân 13 (High) của module túi khí trung tâm qua ngòi nổ của túi khí hành khách về chân 14 (Low) của module túi khí trung tâm. Ngòi nổ của túi khí hành khách có dòng điện đi qua nên đốt cháy chất tạo khí và làm bung túi khí hành khách (M24) giai đoạn 1. Dòng điện đi từ chân 17 (High) của module túi khí trung tâm qua ngòi nổ của túi khí hành khách về chân 18 (Low) của module túi khí trung tâm. Ngòi nổ của túi khí hành khách có dòng điện đi qua nên đốt cháy chất tạo khí và làm bung túi khí hành khách (M69) giai đoạn 2.
Bộ căng đai ghế hành khách được kích hoạt
Cùng lúc đó bộ cảm biến trung tâm sẽ gửi tín hiệu điện đến chân 14 (High) qua độ căng đai trước dây đai rồi về chân 13 (Low), bộ căng đai vị trí hành khách F50 được kích hoạt.
Túi khí bên hông ở vị trí người lái được kích hoạt
Các tín hiệu va chạm được xác định bởi cảm biến áp suất sườn phía bên ở vị trí người lái D12 (Bên trái) gửi tín hiệu tới module qua các chân (High) 36 –35 (Low). Khi đó ACU trung tâm sẽ gửi tín hiệu điện để kích nổ túi khí phía bên ở vị trí người lái thông qua chân (High) 16-15 (Low) và làm phồng túi khí bên trong thời gian ngắn.
39
Túi khí bên hông ở vị trí hành khách được kích hoạt
Các tín hiệu va chạm được xác định bởi cảm biến áp suất sườn phía bên hành khách D32, cảm biến sẽ gửi tín hiệu đến module túi khí thông qua chân (High) 38 –37 (Low) và cảm biến phát hiện hành khách PODS, tại đây module sẽ tính toán mức độ va chạm, nếu mức độ va chạm vượt ngưỡng thiết kế của nhà sản xuất thì module trung tâm sẽ gửi tín hiệu điện để kích túi khí bên F44 ở vị trí hành khách thông qua chân (High) 17-18 (Low) khi đó túi khí bên sẽ lập tức căng phồng để bảo vệ hành khách khi có va chạm từ bên sườn phải.
2.6. Cơ sở lý thuyết giao tiếp I2C
I2C là tên viết tắt của cụm từ Inter-Intergrated Circuit. Đây là đường bus giao tiếp giữa các IC với nhau. Bus I2C được sử dụng làm bus giao tiếp ngoại vi rất nhiều loại IC khác nhau như các loại vi điều khiển 8051, PIC, AVR, ARM… chip nhớ như: Ram tĩnh (Static Ram), EEPROM, bộ chuyển đổi tương tự số (ADC), số tương tự (DAC), IC điều khiển LCD, LED….
I2C sử dụng hai đường truyền tín hiệu
- Một đường xung nhịp đồng hồ (SCL) chỉ do Master (Arduino trung tâm) phát đi (Thông thường ở 100kHz và 400kHz. Mức cao nhất là 1 MHz và 3.4 MHz).
- Một đường dữ liệu (SDA) theo 2 hướng gửi và nhận.
Có rất nhiều thiết bị có thể cùng được kết nối vào một bus I2C, tuy nhiên sẽ không xảy ra chuyện nhầm lẫn giữa các thiết bị, bởi mỗi thiết bị sẽ được nhận ra bởi một địa chỉ duy nhất với mối quan hệ chủ/tớ (Master/Slave) tồn tại trong suốt thời gian kết nối. Mỗi thiết bị có thể hoạt động như là thiết bị nhận hoặc truyền dữ liệu hay cũng có thể vừa truyền vừa nhận. Hoạt động truyền hay nhận còn tùy thuộc vào việc thiết bị đó là chủ (Master) hay tớ (Slave). Một thiết bị hay một IC khi kết nối với bus I2C, ngoài một địa chỉ duy nhất để phân biệt, nó còn được cấu hình là thiết bị chủ (Master) hay tớ (Slave) có sự phân biệt quan hệ này do trên một bus I2C thì quyền điều khiển thuộc về thiết bị chủ đóng vai trò cung cấp xung đồng hồ cho toàn hệ thống. Khi giữa hai thiết bị giao tiếp thông qua bus I2C thì thiết bị chủ có vai trò tạo xung đồng hồ và quản lý địa chỉ của thiết bị tớ trong suốt
40 quá trình giao tiếp. Thiết bị chủ đóng vai trò chủ động, còn thiết bị tớ giữ vai trò bị động trong việc giao tiếp
Hình 2.41 Sơ đồ giao tiếp I2C
Như vậy ta có thể dùng 1 board Arduino trung tâm (Board Master) để điều khiển rất nhiều board Arduino khác (board slave) chỉ cần thông qua 2 dây SCL và SDA. Với mỗi